基于半實(shí)物仿真的時(shí)差定位系統(tǒng)激勵(lì)源設(shè)計(jì)

先登飛

(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

無(wú)源定位技術(shù)在不向外發(fā)射電磁波的條件下獲取目標(biāo)位置信息，具有作用距離遠(yuǎn)、隱蔽性好的優(yōu)點(diǎn)，能有效對(duì)抗反輻射導(dǎo)彈、低空突防、反隱身和抗電磁干擾?；诘竭_(dá)時(shí)間差(TDOA)測(cè)量的多站時(shí)差無(wú)源定位系統(tǒng)具有定位精度高、能瞬時(shí)定位等特點(diǎn)[1-2]。

半實(shí)物仿真又稱物理-數(shù)學(xué)仿真，準(zhǔn)確稱謂是硬件(實(shí)物)在回路中的仿真[3]，近年來(lái)半實(shí)物仿真技術(shù)已逐漸應(yīng)用于無(wú)源定位系統(tǒng)性能仿真[3-4]。基于TDOA無(wú)源定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究、算法性能優(yōu)化、定位誤差分析、功能性能驗(yàn)證等需求，提出了基于Matlab和通用儀器的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。該方法時(shí)間差參數(shù)模擬精度高，能生成任意調(diào)制信號(hào)，為基于TDOA無(wú)源定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究、算法性能優(yōu)化、定位誤差分析、功能性能驗(yàn)證等需求提供了一種低成本、高精度、靈活性強(qiáng)的激勵(lì)信號(hào)模擬手段。

1 TDOA無(wú)源定位系統(tǒng)原理

以4個(gè)接收站為例，利用輻射源發(fā)射的電磁信號(hào)，測(cè)出目標(biāo)到主站和3個(gè)副站的時(shí)延差值，利用雙曲面相交進(jìn)行定位。多站時(shí)差無(wú)源定位系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

設(shè)目標(biāo)空間坐標(biāo)為(x,y,z)，主站C站坐標(biāo)為(x0,y0,z0)，3個(gè)副站坐標(biāo)分別為(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)，同時(shí)設(shè)目標(biāo)信號(hào)到達(dá)主站與各副站的時(shí)間差分別為Δt10、Δt20、Δt30，則通過(guò)下面的方程組可以解算出目標(biāo)坐標(biāo)，其中c為光速。

(1)

相對(duì)測(cè)向交叉定位，多站時(shí)差定位技術(shù)能夠獲取更高的精度，但其精度會(huì)受到多種因素的影響，主要包括時(shí)間差測(cè)量精度、接收站布站拓?fù)?、目?biāo)相對(duì)定位站的空間分布等。

2 激勵(lì)源系統(tǒng)組成

激勵(lì)源系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、通用儀器組成。計(jì)算機(jī)中定位場(chǎng)景仿真軟件設(shè)置主站、各副站和目標(biāo)的空間位置，并計(jì)算場(chǎng)景中目標(biāo)信號(hào)到達(dá)各副站與主站的時(shí)間差；波形仿真軟件通過(guò)配置文件獲取信號(hào)類型、時(shí)間差、采樣點(diǎn)等仿真參數(shù)，根據(jù)仿真參數(shù)生成目標(biāo)輻射信號(hào)波形和對(duì)應(yīng)的IQ數(shù)據(jù)波形文件，通過(guò)網(wǎng)口將波形文件分別下載到4臺(tái)矢量信號(hào)源中(信號(hào)源1模擬主站、信號(hào)源2模擬副站1、信號(hào)源3模擬副站2、信號(hào)源4模擬副站3)；通用儀器包括1臺(tái)脈沖信號(hào)源和4臺(tái)矢量信號(hào)源，脈沖信號(hào)源主動(dòng)產(chǎn)生周期性的TTL脈沖信號(hào)，分別送入4臺(tái)矢量信號(hào)源的外觸發(fā)端口，觸發(fā)其同步完成波形數(shù)據(jù)播放、上變頻到中頻、放大后輸出，這樣可保證4臺(tái)信號(hào)源輸出的中頻信號(hào)之間的時(shí)間差與仿真場(chǎng)景一致，激勵(lì)源系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 激勵(lì)源系統(tǒng)組成

3 定位場(chǎng)景仿真軟件

定位場(chǎng)景仿真軟件具有主站、副站1、副站2和副站3的位置坐標(biāo)設(shè)置(以主站作為空間直角坐標(biāo)系原點(diǎn))；目標(biāo)位置、目標(biāo)信號(hào)類型(以戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航(TACAN)詢問(wèn)、二次監(jiān)視雷達(dá)(SSR)應(yīng)答為例)、信號(hào)編碼設(shè)置；主站、副站和目標(biāo)位置顯示；生成含到達(dá)時(shí)間差等信息的time_diff.txt文件等功能。定位場(chǎng)景仿真軟件流程圖如圖3所示。

圖3 仿真場(chǎng)景設(shè)置軟件流程圖

4 信號(hào)波形仿真軟件

信號(hào)波形仿真軟件采用Matlab開發(fā)[5]，讀取目標(biāo)信息文件time_diff.txt，采用80 MHz采樣率，產(chǎn)生4路具有相對(duì)時(shí)間延時(shí)的IQ信號(hào)基帶數(shù)據(jù)，通過(guò)安捷倫N5182B儀器的網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)，將IQ基帶數(shù)據(jù)分別下載到4臺(tái)N5182B儀器中，并設(shè)置中頻載波頻率為60 MHz。手動(dòng)設(shè)置4臺(tái)N5182B儀器工作在外觸發(fā)模式，并通過(guò)81 110 A儀器產(chǎn)生周期觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)4路符合仿真場(chǎng)景設(shè)置的具有嚴(yán)格時(shí)序關(guān)系的中頻信號(hào)輸出。信號(hào)波形仿真軟件流程圖如圖4所示。

圖4 波形文件生成軟件流程圖

4.1 SSR應(yīng)答信號(hào)模擬

根據(jù)SSR信號(hào)格式定義、設(shè)置的SSR應(yīng)答代碼和相對(duì)時(shí)間延遲信息產(chǎn)生SSR應(yīng)答信號(hào)。SSR應(yīng)答信號(hào)格式如圖5所示[6]。

圖5 SSR應(yīng)答信號(hào)格式

SSR應(yīng)答信號(hào)產(chǎn)生流程：

(1) 根據(jù)應(yīng)答碼確定A1,A2,A4,B1,B2,B4,C1,C2,C4,D1,D2,D4的值；

(2) 根據(jù)SSR應(yīng)答信號(hào)格式和80 MHz采樣率，計(jì)算脈沖、脈沖間隔采樣點(diǎn)數(shù)分別為36和116。按照脈沖位置順序依次對(duì)SSR應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行采樣，得到SSR應(yīng)答信號(hào)采樣數(shù)據(jù)；

(3) 根據(jù)時(shí)間延遲信息，計(jì)算延遲時(shí)間內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)，將4路延遲信息分別加入SSR應(yīng)答信號(hào)采樣數(shù)據(jù)前面，得到具有相對(duì)時(shí)間延遲的SSR應(yīng)答信號(hào)采樣數(shù)據(jù)；

(4) 將具有相對(duì)時(shí)間延遲的SSR應(yīng)答信號(hào)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶IQ調(diào)制，并按照N5182B網(wǎng)口數(shù)據(jù)格式產(chǎn)生IQ調(diào)制數(shù)據(jù)波形文件，將波形文件下載到N5182B中，設(shè)置采樣率為80 MHz，中頻調(diào)制頻率為60 MHz，觸發(fā)模式為外觸發(fā)，由N5182B實(shí)現(xiàn)基帶調(diào)制、上變頻、放大后輸出4路60 MHz模擬中頻SSR應(yīng)答信號(hào)。

4.2 TACAN詢問(wèn)信號(hào)模擬

根據(jù)TACAN信號(hào)格式定義和相對(duì)時(shí)間延遲信息產(chǎn)生TACAN詢問(wèn)模擬信號(hào)。TACAN基帶信號(hào)為高斯脈沖對(duì)，其函數(shù)表達(dá)式如下：

(2)

(3)

式中：Pa為脈沖峰值幅度；b為脈沖中心位置(即峰值點(diǎn))；Pw為脈沖寬度(50%峰值寬度，3.5 μs)。

TACAN高斯脈沖對(duì)包絡(luò)波形如圖6所示[7-8]。

圖6 TACAN高斯脈沖對(duì)包絡(luò)波形圖

TACAN詢問(wèn)信號(hào)產(chǎn)生流程：

(1) 根據(jù)TACAN詢問(wèn)信號(hào)表達(dá)式，計(jì)算大于等于高斯脈沖50%峰值寬度部分的時(shí)間范圍，時(shí)間長(zhǎng)度為3.5 μs，TACAN高斯脈沖間隔為12 μs。

(2) 根據(jù)基帶信號(hào)80 MHz采樣率，計(jì)算得到脈沖和脈沖間隔的采樣點(diǎn)數(shù)分別為280和960。按照脈沖位置順序依次對(duì)TACAN高斯脈沖50%峰值寬度部分按照80 MHz采樣率進(jìn)行采樣，得到TACAN詢問(wèn)信號(hào)采樣數(shù)據(jù)。

(3) 根據(jù)時(shí)間延遲信息，計(jì)算時(shí)間延遲時(shí)間內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)，將4路延遲信息分別加入TACAN詢問(wèn)信號(hào)采樣數(shù)據(jù)前面，得到具有相對(duì)時(shí)間延遲的TACAN詢問(wèn)信號(hào)采樣數(shù)據(jù)。

(4) 將具有相對(duì)時(shí)間延遲的TACAN詢問(wèn)信號(hào)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶IQ調(diào)制，并按照N5182B網(wǎng)口數(shù)據(jù)格式產(chǎn)生IQ調(diào)制數(shù)據(jù)波形文件，將波形文件下載到N5182B中，設(shè)置采樣率為80 MHz，中頻調(diào)制頻率為60 MHz，觸發(fā)模式為外觸發(fā)，由N5182B完成基帶調(diào)制、上變頻、放大后輸出4路60 MHz模擬中頻TACAN詢問(wèn)信號(hào)。

5 系統(tǒng)驗(yàn)證

5.1 驗(yàn)證框圖

計(jì)算機(jī)作為綜合顯控計(jì)算機(jī)，完成仿真場(chǎng)景設(shè)置、仿真信號(hào)基帶調(diào)制IQ數(shù)據(jù)文件生成功能。波形生成軟件產(chǎn)生的多路IQ數(shù)據(jù)文件通過(guò)網(wǎng)口分別下載到4臺(tái)矢量信號(hào)源N5182B中；81 110 A周期性輸出TTL脈沖，同步輸出到4臺(tái)N5182B的外觸發(fā)輸入端口；N5182B在外觸發(fā)信號(hào)控制下，周期性地調(diào)用并播放仿真信號(hào)基帶調(diào)制IQ數(shù)據(jù)，生成60 MHz模擬中頻信號(hào)，通過(guò)等長(zhǎng)同軸電纜輸出到四通道示波器(安捷倫DSA91 304 A)，示波器同步采集矢量信號(hào)源輸出的4路模擬中頻信號(hào)，并測(cè)量各副站信號(hào)與主站信號(hào)的實(shí)際到達(dá)時(shí)間差，用于對(duì)比評(píng)估信號(hào)實(shí)際到達(dá)時(shí)差與仿真場(chǎng)景計(jì)算得到的時(shí)間差之間的實(shí)現(xiàn)精度。試驗(yàn)系統(tǒng)組成原理框圖如圖7所示。

5.2 仿真效果

通過(guò)定位場(chǎng)景仿真軟件設(shè)置了某一個(gè)仿真場(chǎng)景，計(jì)算場(chǎng)景中某個(gè)目標(biāo)到各接收站的直線距離，進(jìn)一步計(jì)算得到輻射源信號(hào)到達(dá)各副站與主站的時(shí)間差：

圖7 半實(shí)物仿真驗(yàn)證試驗(yàn)框圖

(1) 副站1與主站時(shí)差Δt1=1.708 μs；

(2) 副站2與主站時(shí)差Δt2=-2.205 μs；

(3) 副站3與主站時(shí)差Δt3=-3.815 μs。

根據(jù)此場(chǎng)景參數(shù)，生成多路波形文件數(shù)據(jù)并下載到矢量信號(hào)源，最終播放輸出后的60 MHz中頻信號(hào)在示波器上的時(shí)差測(cè)量截屏如圖8所示。

從示波器實(shí)際測(cè)量得到的時(shí)間差與仿真場(chǎng)景設(shè)置的理論時(shí)間差的誤差在10 ns以內(nèi)，基本能夠滿足TDOA無(wú)源定位系統(tǒng)測(cè)試需求。具體誤差數(shù)據(jù)如下：

(1) 通道2(副站1)與通道1(主站)時(shí)差均值Δt1=1.703 μs，與場(chǎng)景差-5 ns；

(2) 通道3(副站2)與通道1(主站)時(shí)差均值Δt2=-2.212 μs，與場(chǎng)景差-7 ns；

(3) 通道4(副站3)與通道1(主站)時(shí)差均值Δt3=-3.814 μs，與場(chǎng)景差1 ns。

圖8 示波器實(shí)際時(shí)差參數(shù)測(cè)量

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)TDOA定位系統(tǒng)功能性能驗(yàn)證、算法性能優(yōu)化等需求，考慮到實(shí)際外場(chǎng)全實(shí)物試飛驗(yàn)證周期長(zhǎng)、成本高、參數(shù)調(diào)整不夠靈活，以及全數(shù)字軟件仿真度不夠高等難題，本文提出了一種基于軟件與通用儀器結(jié)合的半實(shí)物仿真方法。通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法參數(shù)設(shè)置靈活，可實(shí)現(xiàn)任意調(diào)制方式的信號(hào)模擬，所生成的多路中頻信號(hào)時(shí)序關(guān)系精度高，滿足TDOA定位系統(tǒng)測(cè)試需求。